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录
1、药物从何而来浅谈药物发现的流程
2、突破传统药物研发瓶颈:LLM 驱动的 AgentD 框架如何重塑早期药物发现流程?
3、迪普深合:诺奖技术赋能,模块化的点击化合物库革新药物发现范式
4、JCIM|用于小分子药物发现的机器学习方法比较指南
一、药物从何而来浅谈药物发现的流程
(奥美泰克)
新药指中国境内外均未上市的药品,分为创新药和改良型新药。创新药(1类)需含有新的结构明确的、具有药理作用的化合物;改良型新药(2类)为已知活性成分基础上进行的优化,需具有明显的临床优势。新药研发作为医药产业链的上游,其发展状况直接影响到我国医药产业未来的生存和发展。
新药研发流程
现代新药研发是从患者疾病用药需求出发,经历发现、临床前开发、IND申请、临床开发(含上市后研究)、NDA申请等5个阶段的全过程。
1. 药物作用靶点(target)以及生物标记(biomarker)的选择与确认
靶点是一个宽泛的术语,它可以适用于一系列生物体,比如蛋白质、DNA或RNA。一个好的靶点是有效的、安全的、临床可行且有商业价值的。最重要的是,具有“可药性(druggable)”。所有的药物分子都通过与靶点结合以引起生化反应,某些靶点可能更容易结合小分子药物。目前寻找并确认靶点的方法主要有两种:一是利用基因重组技术建立转基因动物模型,或进行基因敲除来验证;二是利用反义寡核苷酸技术(Antisense oligonucleotides, ASOs),通过抑制翻译特定蛋白质的信使 RNA来验证。
2.苗头化合物(Hit)的筛选
一旦选定了药物作用的靶点,药物化学家首先要找到对该靶点有作用的化合物。苗头化合物是指对特定靶标或作用环节具有初步活性的化合物。发现苗头物有多种途径,可以从天然产物和化合物库中筛选,也可以基于受体或配体结构和机制进行分子设计。
根据JMC的研究,最常见的寻找苗头化合物的策略有:已知化合物中寻找(约43%)、随机高通量筛选(约29%)、集中筛选、基于结构的药物设计(SBDD)、基于片段的先导化合物生成(FBLG)和DNA编码库筛选(DEL)等。此外,虚拟筛选,即使用基于计算机的方法在生物结构的基础上发现新配体的过程,也正在制药行业得到越来越广泛的应用。
3. 先导化合物(leadcompound)的确定
一旦通过筛选或其他方式获得了大量的苗头化合物,药物发现团队的第一个任务就是确定哪些化合物是最好的研究对象。一般从多个苗头化合物中, 决策出活性最好的一个(或几个)作为先导化合物用于继续深入研究。先导化合物是已经通过多次实验验证、具有一定生理药理活性、可用作进一步深入研究的化合物,是后续大量工作的一个起点。这个决策的过程也被称作“Hit to Lead”。这一阶段要对化合物进行更详细的ADME特性分析、细胞毒性测试等,还必须考虑该化合物大规模合成的可行性,以及其GMP制造工艺。
4. 候选药物(candidate)的选定
通过构效关系研究,几轮优化所筛选出来的满足基本生物活性的最优化合物,一般作为候选药物,并进入开发。此时,从事新药发现的药物化学家工作暂告结束。
二、突破传统药物研发瓶颈:LLM 驱动的 AgentD 框架如何重塑早期药物发现流程?
(原创 paperClub paperClub)
在现代生物医药领域,药物研发始终面临 “双高双长” 的困境 —— 高成本、高风险,长周期、长流程。据统计,一款新药从发现到上市平均需要 10-15 年,研发成本超过 20 亿美元,成功率却不足 10%。这些痛点背后,是传统药物发现流程中数据碎片化、任务割裂化、决策经验化等深层次问题。
近日,研究团队提出基于大型语言模型(LLMs)的模块化智能框架 AgentD,为解决上述难题提供全新思路。该框架通过整合 LLM 的强大推理能力与领域专用工具,实现早期药物发现全流程的自动化与智能化。本文将深入解读这一创新成果,剖析其技术架构、核心功能与应用前景,揭示 AI 驱动药物研发的未来方向。一、传统药物发现的困境与 AI 技术的破局契机1.1 药物研发的 “不可能三角”
传统药物发现流程仿佛一个 “不可能三角”—— 难以同时实现效率、成本与成功率的优化。从靶点识别到先导化合物优化,每个环节都面临独特挑战:
数据壁垒
:蛋白质序列、小分子结构、生物活性数据等分散在不同数据库中,整合难度大;任务割裂
:分子生成、性质预测、结构模拟等任务依赖独立工具,需人工协调流程;决策滞后
:依赖专家经验评估化合物潜力,缺乏系统化的多维度筛选机制。
现有计算方法虽在分子对接、QSAR 建模等领域取得进展,但大多局限于单一任务,难以应对药物发现的系统性需求。1.2 LLM 技术带来的范式转变
大型语言模型的崛起为打破这一困局提供可能。与传统 AI 模型相比,LLM 具备三大核心优势:
跨域理解能力
:通过海量文本训练,掌握化学、生物学等多领域知识,可理解 SMILES 分子表达式、蛋白质序列等专业语言;灵活推理能力
:能处理模糊查询、规划复杂任务流程,并根据反馈动态调整策略;工具集成潜力
:可通过 API 调用外部工具,将语言理解能力与专业计算工具无缝结合。
研究团队敏锐意识到,将 LLM 与领域工具结合,有望构建端到端的智能药物发现系统 —— 这正是 AgentD 框架的设计初衷。
二、AgentD 框架:模块化设计与核心功能解析2.1 整体架构:LLM 驱动的 “智能中枢 + 工具集群” 模式
AgentD 采用 “1+6” 的模块化架构:以 GPT-4o 作为核心推理引擎,串联 6 个专业化任务模块,形成完整的药物发现闭环。这种设计的精妙之处在于:
松耦合集成
:各模块通过标准化接口与 LLM 通信,可独立升级迭代;动态任务规划
:LLM 根据用户需求自动规划任务流程,无需人工预设步骤;上下文感知
:各模块输出自动纳入全局上下文,支持跨任务信息流动。
研究中采用 LangChain 库实现框架部署,简化了提示管理、工具调用等底层逻辑,使研发团队能聚焦于业务流程优化。2.2 六大核心任务模块深度解析(1)数据提取模块:打通多源信息壁垒
药物发现的第一步是获取高质量数据。AgentD 的数据提取模块实现了 “一键式” 多源信息聚合:
结构化数据
:从 UniProt 数据库获取蛋白质 FASTA 序列,从 ChEMBL 数据库提取已知药物的 SMILES 表达式;非结构化数据
:通过 Semantic Scholar API 下载相关领域文献,构建知识储备库;web 信息补充
:利用 Serper API 进行网络搜索,获取最新研究进展和药物信息。
在 BCL-2 靶点研究中,该模块成功检索到目标蛋白序列、已知抑制剂维奈托克的分子结构及 30 余篇相关文献,为后续研究奠定基础。(2)领域问答模块:基于证据的智能推理
药物研发依赖对复杂机制的理解,AgentD 的问答模块采用检索增强生成(RAG)策略,解决了传统 LLM “一本正经地胡说八道” 的问题:
检索阶段
:根据用户问题从文献库中匹配最相关的片段;生成阶段
:结合检索到的证据生成回答,确保每个结论都有文献支持。
对比实验显示,在解释 “维奈托克与蛋白酶体抑制剂的协同作用机制” 时,标准 GPT-4o 仅能提供泛泛而谈的回答,而 AgentD 能精准引用 ISR 激活、ATF3/ATF4 调控 NOXA 表达等关键机制,与原始文献描述高度一致。(3)SMILES 生成模块:平衡探索与利用的分子设计
种子分子库的质量直接影响后续筛选效率。AgentD 创新性地结合两种生成策略:
REINVENT 模型
:无需初始结构,从头生成全新分子,拓展化学空间探索边界;Mol2Mol 模型
:以已知活性分子为模板,生成结构相似的衍生物,聚焦高潜力区域。
t-SNE 可视化显示,REINVENT 生成的分子在化学空间中分布广泛,而 Mol2Mol 生成的分子则围绕参考药物维奈托克聚集,实现了 “广度” 与 “深度” 的平衡。(4)性质预测模块:多维度评估化合物潜力
化合物的成药潜力需通过多维度性质评估。AgentD 整合两种专业工具:
Deep-PK API
:预测 67 种 ADMET(吸收、分布、代谢、排泄、毒性)性质,涵盖 Caco-2 permeability、血脑屏障穿透性等关键指标;BAPULM 模型
:输入分子 SMILES 和蛋白质序列,预测结合亲和力(pKd),评估靶向性。
这些预测结果为后续分子优化提供了精准的改进方向。(5)分子优化模块:基于知识的智能改造
发现缺陷分子后,AgentD 能自主提出结构优化方案:
缺陷识别
:根据性质预测结果,定位低渗透性、高毒性等问题;理性设计
:基于 LLM 内置的化学知识,提出基团替换、环系修饰等改造策略;迭代优化
:通过多轮修改,逐步提升分子的类药性。
案例显示,某分子因羟基导致渗透性不足,AgentD 首先将其替换为甲基,第二轮再将磺酰胺改为胺基,使预测渗透率显著提升。(6)结构生成模块:从序列到复合物的 3D 建模
为深入理解分子作用模式,AgentD 引入 Boltz-2 模型:
输入
:蛋白质 FASTA 序列 + 配体 SMILES;输出
:3D 蛋白质 - 配体复合物结构、IC₅₀值、抑制剂概率;优势
:无需实验解析的蛋白质结构,直接从头预测结合构象。
生成的结构可用于分子对接、分子动力学模拟等下游分析,为机制研究提供原子级视角。
三、实战验证:以 BCL-2 为靶点的案例研究3.1 研究背景:BCL-2 与淋巴细胞白血病
BCL-2 是抗凋亡蛋白家族的重要成员,在淋巴细胞白血病中常过度表达,是临床验证的治疗靶点。维奈托克作为首个 BCL-2 抑制剂,虽已获批上市,但仍存在耐药性等问题,亟需开发新一代候选分子。AgentD 以该靶点为案例,完整展示了从靶点到候选分子的全流程。3.2 关键实验结果与分析(1)数据提取效率验证
针对 “BCL-2 + 淋巴细胞白血病” 查询,AgentD 在 5 分钟内完成:
从 UniProt 获取 BCL-2 的 FASTA 序列(长度 239aa);
识别 3 种已知抑制剂,从 ChEMBL 提取其 SMILES;
下载 28 篇相关文献,涵盖作用机制、耐药性等主题。
结果显示,其数据提取准确率达 100%,远超人工检索效率。(2)分子优化效果量化
对初始生成的 100 个分子进行两轮优化后:
类药性提升
:QED(定量类药性评分)>0.6 的分子比例从 34% 升至 55%;规则符合度
:通过至少 4 项类药性规则(Lipinski、Veber 等)的分子从 29 个增至 52 个;性质改善
:52% 的低渗透性分子在优化后得到改善,20% 的高毒性分子毒性降低。
这些数据证明,AgentD 能系统性提升分子库的整体质量。(3)3D 结构预测价值
对优化后的高潜力分子,Boltz-2 生成的复合物结构显示:
配体与 BCL-2 的 BH3 结合口袋形成 5 个关键氢键;
预测 IC₅₀为 0.271μM,抑制剂概率 60.8%,提示中等结合强度;
结构分析发现可通过增加疏水相互作用进一步提升亲和力。
这些发现为后续实验验证提供了明确方向。
Figure 5 是基于 Mordred 衍生的分子描述符进行的化学空间 t-SNE 可视化,展示了 AgentD 生成的种子分子、经过性质感知优化后的分子、从 ChEMBL 中随机采样的 5000 个化合物以及参考药物维奈托克在化学空间中的分布情况。
从图中可以看出,REINVENT 生成的分子在化学空间中分布较为广泛,体现了其在化学空间中进行广泛且无偏探索的能力;而 Mol2Mol 生成的分子则更紧密地聚集在输入分子周围,表明其能够在已知活性骨架附近进行有针对性的探索。此外,经过两轮优化后的分子(Mol2Mol 2nd Refinement、Reinvent 2nd Refinement)在化学空间中的位置也得到了展示,进一步反映了优化过程对分子分布的影响。该图直观地体现了 AgentD 所采用的两种分子生成策略(REINVENT 的从头生成和 Mol2Mol 的条件生成)在化学空间探索上的互补性,以及性质感知优化对分子库化学空间分布的调整作用。
4.2 现存局限性与挑战
尽管 AgentD 展现出显著优势,但其性能仍存在以下局限:
分子优化的不确定性
:约 26%-31% 的结构修饰未能达到预期效果,部分修改甚至导致性质恶化。例如,某分子计划将甲氧基改为乙氧基,却因执行错误丢失氧原子,导致渗透性下降。性质间的权衡难题
:优化过程中常出现 “顾此失彼” 的情况,如改善 permeability 的同时可能伴随亲脂性(logP)和溶解性(logS)下降,反映多目标优化的复杂性。3D 结构预测精度有限
:Boltz-2 生成的 IC₅₀和抑制剂概率仅为粗略估计,不能替代实验测定或高精度分子模拟结果。文献依赖限制
:RAG 策略的效果受限于检索文献的质量和范围,非开放获取文献的缺失可能导致信息不完整。
Figure 6 展示了 AgentD 在性质感知分子优化中的代表性案例,每个案例都呈现了为改善特定目标性质(括号中注明)而进行的结构修饰,以及这些修饰是如何基于智能体的推理得出的。
图 6a 中,一个分子最初因预测的 log Papp 值较低而被标记为渗透性差。对此,AgentD 在第一轮优化中建议将羟基替换为甲基,第二轮中又将磺酰胺替换为胺基,这两处修改均有助于提高预测的渗透性。
图 6b 体现了优化中的一种失败模式:智能体本打算进行硝基到氢的取代并成功实施,但却意外移除了羰基,不过预测的渗透性仍有所提高。
图 6c 展示了另一种情况:原本计划将甲氧基替换为乙氧基,却因实施不当导致氧原子丢失,使得渗透性下降;同时,该图也体现了即使修饰正确,目标性质也可能无法改善,如第一轮优化中虽按预期进行结构改变,但渗透性反而变差。
这些案例直观地说明了分子优化过程的复杂性,包括成功的修饰、意外的结构变化以及修饰后性质未达预期等情况,同时也展示了 AgentD 在识别分子缺陷并提出针对性结构修改方面的能力与局限。
Figure 7 展示了在基于性质感知的分子优化迭代过程中,分子性质的变化情况,具体包括以下几个方面:
图 7a(渗透性):展示了在两轮优化中,针对渗透性(log Papp)的分子改善、下降或未变化的比例。第一轮优化针对 57 个分子,第二轮针对 65 个分子,数据显示部分分子的渗透性在优化后得到改善,同时也存在部分分子渗透性下降或保持不变的情况。
图 7b(毒性):呈现了两轮优化中,毒性相关性质的变化比例。第一轮优化涉及 25 个分子,第二轮涉及 15 个分子,结果显示毒性改善的分子比例相对有限,多数分子的毒性在修改后仍未得到有效改善。
图 7c(QED 值分布):通过核密度图展示了三轮(原始、第一轮优化、第二轮优化)分子的 QED(定量类药性评分)值分布变化,可见高 QED 值分子的分布范围随着优化迭代不断扩大,表明整体类药性得到提升。
图 7d(通过类药性规则数量):直方图显示了不同优化阶段中,通过至少 0-5 项经验类药性规则的分子数量变化,经过两轮优化后,通过 4 项及以上规则的分子数量从初始的 29 个增加到 52 个,说明分子的成药性特征得到显著改善。
这些图表共同说明了 AgentD 的分子优化模块虽然存在局部失败的情况,但整体上能有效提升分子库的类药性和药物开发潜力。
Figure 8 展示了蛋白质 - 配体结构的生成与评估结果,具体包含两个部分:
图 8a:呈现了由 Boltz-2 预测的一个代表性 3D 蛋白质 - 配体复合物结构,并附带了估计的半最大抑制浓度(\(IC_{50}\))和抑制剂概率。在该示例中,预测的\(IC_{50}\)为 - 0.271 μM,抑制剂概率为 60.8%,表明该候选分子与目标蛋白可能存在中等强度的结合亲和力。
图 8b:通过雷达图展示了基于经验规则的分子评估结果。绿色虚线表示各项规则的阈值,紫色实线代表所选分子的性质。评估涉及 Lipinski 规则、Veber 规则、Ghose 过滤器、三规则(Rule of 3)和 Oprea 类先导物规则等,直观呈现了该分子在各项类药性指标上的表现。
该图展示了 AgentD 在生成 3D 蛋白质 - 配体复合物结构方面的能力,以及如何通过经验规则评估分子的类药性,为后续的结构分析和优化提供了参考
五、未来展望:AI 驱动药物发现的下一代范式5.1 技术迭代方向
研究团队提出了 AgentD 的三大升级路径:
多目标优化整合
:开发基于强化学习的多属性平衡算法,解决性质间的冲突问题,实现 “帕累托最优” 分子设计;自主动力学模拟
:集成分子动力学工具,对生成的 3D 复合物进行稳定性评估,筛选构象稳健的候选分子;条件生成拓展
:支持基于特定药理学谱(如 “高选择性 + 低毒性”)的定向分子生成,提升筛选效率。5.2 对行业的潜在影响
AgentD 框架的推广可能引发药物研发领域的三大变革:
流程重构
:将早期发现周期从数月缩短至数周,大幅降低临床前研究成本;人才转型
:研究者从重复劳动中解放,聚焦靶点验证、机制解析等创造性工作;开源协作
:框架代码已开源(https://github.com/hoon-ock/AgentD),有望形成学术界与工业界的协同创新生态。六、结语:从 “经验驱动” 到 “数据智能”
AgentD 框架的问世,标志着药物发现正从 “试错主导” 的传统模式向 “预测驱动” 的智能模式跨越。通过 LLM 与领域工具的深度融合,它不仅解决了流程自动化问题,更实现了 “数据 - 知识 - 决策” 的闭环。
当然,AI 工具无法完全替代人类专家的洞察力,未来最有效的研发模式必然是 “智能系统辅助 + 科学家主导” 的协同模式。随着技术的持续迭代,我们有理由相信,AgentD 这类框架将成为药物研发的 “标配” 工具,加速破解更多未被满足的临床需求,为患者带来更快、更好、更廉价的治疗方案。
正如研究中所强调的,AgentD 的模块化设计使其能够持续吸纳新工具、新模型,这也正是其应对快速变化的生物医药领域的核心竞争力 —— 在 AI 技术与药物研发不断碰撞融合的未来,这样的灵活性与适应性,将成为创新突破的关键
三、迪普深合:诺奖技术赋能,模块化的点击化合物库革新药物发现范式
(原创 宁晨 动脉网)
在传统药物研发中,化学合成始终是一座难以逾越的技术高山。高度复杂的分子设计、漫长繁复的合成工艺,不仅令新药发现周期延长,更构筑了极高的技术壁垒,将众多创新想法阻挡在实践大门之外。这一“中心化”的研发范式,已成为制约医药创新,特别是提升可及性的核心痛点。然而,一场源自诺贝尔奖的化学范式“革命”,正为破解这一困境带来全新路径。
2022年荣获诺贝尔化学奖的“点击化学”(Click Chemistry),其核心在于利用高效、可靠的模块化反应,快速构建功能分子。在中国,这一“变革”的领军者与深度实践者,是师从“点击化学之父”Karl. Barry Sharpless教授的上海交通大学点击化学实验室主任、迪普深合创始人董佳家教授。为了将点击化学的“去中心化”方法论转化为“颠覆性”的产业工具,他创立了迪普深合医药研发(上海)有限公司(以下简称“迪普深合”),旨在彻底降低药物早期发现的超高门槛,赋能中国创新力量。
上海交通大学点击化学实验室主任、迪普深合创始人董佳家教授
第二代点击化学SuFEx发现人
近日,动脉网对董佳家教授进行了专访,他描绘了一幅更宏大的蓝图:迪普深合有望参与甚至引领一场中国医药产业范式“革命”,且这并非简单的技术升级,而是一场关乎产业逻辑与创新主体等的根本性重塑。
01
获得诺贝尔奖的点击化学:“范式革命”而非“技术改良”
要理解迪普深合的使命,首先必须理解点击化学的“颠覆性”所在。董佳家教授的阐述,将其从一项看上去十分简单的化学技术,提升到了科学史与产业变革的宏观维度。董佳家教授的职业生涯起步于一家位于中国上海的早期新药研发公司。与当时主流的单一学科外包模式不同,这家公司罕见地尝试将化学与生物学研究紧密结合。这种小而灵活、跨学科无缝协作的“动态”模式,对当时一心向往药物研发的董佳家教授产生了吸引力。在亲历了公司项目——早期开发的钠-葡萄糖协同转运蛋白2(SGLT-2)抑制剂——的成功后,董佳家教授获得就职公司创始人、美国生物界顶尖科学家Brian Seed教授的强力推荐,决定重返学术界,申请博士后职位,师从早在学生时代就崇敬的Karl. Barry Sharpless教授。
董佳家教授指出,20世纪上半叶以来的合成化学与制药产业,即“伍德沃德范式”,由美国化学家R. B. Woodward所塑造。这一范式追求合成的艺术性与复杂性,通过高度专业性的合成制造高壁垒来维系价值。它塑造了过去半个世纪以来跨国药企高度中心化的研发模式,依赖于权威专家的精巧设计。然而,全球化浪潮下,这一模式的不可持续性日益凸显。
点击化学正是对“伍德沃德范式”的“战略性”逆转。点击化学是由Karl. Barry Sharpless教授于2001年提出的全新化学合成理念,并于2022年因此再获诺奖:其利用简单高效的化学反应,有效地将化学砌块链接起来,进而实现分子功能。这一过程追求将合成化学技术高度去中心化,使其更有效地转移到相关的交叉学科实践中。
符合点击化学要求的反应具有高产率、作为起始原料的小分子结构简单、几乎不发生不良反应、实验操作简便、能够在水中进行反应等优势。而点击化学的核心理念正是“简单、可靠、高效”。它提供了一套如同“分子乐高”的标准化工具,使得即使非合成化学背景的研究人员(如生物学家)也能快速、模块化地构建大量结构多样的化合物。本质上,这是将药物发现从一门依赖少数精英的“手艺”,转变为一个可大规模、标准化探索的“流程”。董佳家教授形象地比喻:“这好比互联网的出现,使得人人皆可成为信息发布者、传播的参与者,而不再仅仅依赖于传统媒体这一单一渠道。”
另一方面,点击化学的崛起,与人工智能(AI)等大趋势深度契合。AI需要海量的标准化数据(分子)进行学习与预测,而点击化学正是产生这类数据的理想工具。董佳家教授同时指出,中国拥有巨大的未满足医疗需求,而也有丰富的人力(工程师)资源,却缺乏一套高效、可及创新供给的研发体系。点击化学,恰逢其时地提供了方法论上的可能。
02
超高通量构建技术护城河,去中心化平台助力分子胶突破性发现
迪普深合由此成了点击化学方法论落地的载体。基于对点击化学的洞察,迪普深合构建了其独特的战略架构与核心竞争力。董佳家教授明确区分了迪普深合与传统点击化学公司的本质区别,即需要先回答,迪普深合“不是什么”。
首先是核心定位,即迪普深合要做赋能者,而非制药商等。此外,迪普深合也并非一家传统的定制合成合同研究组织(CRO),其目标是要将药物早期发现,尤其是化合物库构建与筛选的效率提升到极致。换言之,迪普深合的终极愿景是成为一个“去中心化”的药物发现平台。迪普深合希望让高校教授、初创公司等的创新主体,能够以极快的速度验证其药物假设,从而极大地增加创新试错的频次与成功率。
为此,迪普深合致力于在点击化学的应用层面建立技术“护城河”。这不仅体现在庞大的专有砌块库上,更在于其独有的、高效拼接这些“分子乐高”的专利方法学。
董佳家教授和Karl. Barry Sharpless教授团队发现了一种安全高效、从大量可得的一级胺化合物出发直接合成叠氮化合物库的方法,并将其命名为“模块化的点击化合物库方法”。需要指出的是,由叠氮化合物加上炔烃化合物最终合成的三氮唑化合物产品已经可以对应“无穷大”的潜在类药化合物空间。进一步延伸,点击化学精准、快速发现化合物,可能构建世界“唯一”千万级实体分子库。而化合物库是药物筛选基础,国际大型制药企业均拥有大型高质量库。
迪普深合的核心技术使其能够在数周内完成数万乃至数十万个化合物的合成与筛选。董佳家教授透露,迪普深合在与上海交通大学医学院附属瑞金医院卢敏教授合作的分子胶项目中合成了数万个化合物,而这是在极短的周期内实现的,大大提高了研发效率,推动了成果的快速落地。这种“量变”直接引发了“质变”。此外,值得一提的是,迪普深合与美国斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute,缩写TSRI)等著名机构的合作,发现了一种非常有潜力治疗耐药肺结核的新分子,这为近50年该领域的治疗带来了新的希望与选择,其成果发表于权威期刊Nature[1]。据2019年C&EN报道:基于董佳家与Karl. Barry Sharpless发现的构建三氮唑化合物库方法,美国Calibr团队从中筛选出一种在结核病治疗领域前景广阔的候选化合物[2] 。不仅如此,迪普深合也与上海科技大学水雯箐课题组合作,通过将模块化点击化合物库与亲和质谱技术联用,设计、合成了一个大规模的、模块化的点击化合物分子库,进而针对胰高血糖素样肽-1受体(GLP-1R)这一挑战性靶点进行筛选,发现了一组新型GLP-1R别构调控小分子化合物,其成果发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)[3]。这些案例充分展示了其技术平台在探索化学空间与发现先导化合物方面所具有的显著优势。
03
中国创新药新模式启航,完成生态构建的“关键一跃”
董佳家教授坦言,目前迪普深合正积极拓展价值实现路径,探索与各方的生态合作。短期来看,与大型药企、研究机构的战略合作是验证平台能力的有效途径。但从长远发展看,迪普深合旨在构建一个开放的价值网络:以低门槛策略激发广泛的合作潜能,通过与伙伴们共创共享,最终在成功孵化高价值成果时实现共赢。这有赖于其精准识别潜力与设计共赢机制的核心能力。
迪普深合手握创新药筛选核心技术与核心原料分子砌块,未来在产业链上可切入药物研发后端市场,图源自迪普深合
当前,迪普深合计划首先运用已有资源服务高校、医院及科研院所,并建立战略合作伙伴关系;其次,以第一步战略为基础,获得战略合作伙伴及潜在IP(如新靶点候选药物分子),由药物发现阶段,向临床前及临床开发阶段拓展;随后,以AI驱动药物发现进场,提供端到端的药物发现解决方案,进一步拓展可能成药的化合物空间。
与此同时,董佳家教授的思考并未止步于企业自身,而是延伸至整个中国生物医药产业的命运。他将迪普深合的探索置于一个宏大历史背景之下。他表示,中国医药创新必须转向内循环,真正为全中国人的健康需求服务;但前提是,必须建立一套既深度契合中国特征、同时又具备全球竞争力的高效研发体系。
董佳家教授指出,迪普深合并非要独自建成新大厦,而是要充当那个“撬动旧塔基最底层的一块砖”的力量。通过将药物发现的初始门槛降至极低,它有望激发中国的创新活力。此外,真正的创新是“去中心化”模式的。当成千上万的科研工作者能够低门槛地投身于药物发现时,一个“去中心化”的、充满活力的中国医药创新生态才有可能形成。迪普深合要做的,就是站在技术变革的潮头,与时代同行。
04
写在最后
采访中,董佳家教授多次提到机缘巧合(Serendipity),从首份工作的历练到获得Karl. Barry Sharpless教授的认可,似乎人生关键处总有幸运眷顾。但更深层次看,这更像是一种必然——一位对产业痛点有切肤之痛、又得遇导师指点方向的科学家,在重要转折点上的主动选择。
迪普深合的故事,不仅仅是一家初创企业的发展蓝图,更是一位中国科学家以其全球视野与洞察、对中国医药产业前途的一次充满希望的叩问。它关乎技术,关乎愿景;关乎企业生存,也关乎产业命运。
在点击化学这把“诺奖钥匙”的帮助下,迪普深合正试图开启一扇通往未来的大门,那扇门后,或许是“人人皆可参与创新”的中国医药“新纪元”。这条路注定艰难,但正如董佳家教授所相信的:“一旦尝试点击化学,就再也回不去了。”
未来与变革,或许已然发生。
参考来源:
[1] Krieger, I.V., Sukheja, P., Yang, B. et al. SuFEx-based antitubercular compound irreversibly inhibits Pks13. Nature (2025). doi:10.1038/s41586-025-09286-3
[2]Dong says the new reaction makes it possible to create libraries of azides composed of 1,200 compounds. He hopes the reaction will speed the discovery of useful new molecules, particularly pharmaceuticals, using click chemistry. That vision is already taking shape, says Mike Petrassi, vice president of medicinal chemistry at Calibr, a biomedical research institute. He says triazole libraries made via Dong and Sharpless’s method have already yielded a promising compound for fighting tuberculosis.
That vision is already taking shape, says Mike Petrassi, vice president of medicinal chemistry at Calibr, a biomedical research institute. He says triazole libraries made via Dong and Sharpless’s method have already yielded a promising compound for fighting tuberculosis.
[3] Y. Xin, S. Liu, Y. Liu, Z. Qian, H. Liu, B. Zhang, T. Guo, G.J. Thompson, R.C. Stevens, K.B. Sharpless, J. Dong, & W. Shui, Affinity selection of double-click triazole libraries for rapid discovery of allosteric modulators for GLP-1 receptor, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 120 (11) e2220767120, https://doi.org/10.1073/pnas.2220767120 (2023).
四、JCIM|用于小分子药物发现的机器学习方法比较指南
(原创 智药邦 智药邦)
将分子结构与性质相关联的机器学习方法常被提出作为昂贵或耗时实验的计算机模拟替代方案。在小分子药物发现中,这类方法可为化合物合成和体内研究等高风险决策提供参考。然而,由于其涉及多学科交叉,提出统计学上严格且符合领域特点的方法比较方案本质上是一项困难任务。缺乏此类方案或方法学指南可能导致理想中的进展与实际影响脱节,从而减缓机器学习方法在小分子药物发现中的应用。
2025年9月11日,来自强生创新药物、Valence Labs、诺华制药、拜耳创新中心、默沙东以及辉瑞研发团队等机构的研究人员在《Journal of Chemical Information and Modeling》发表论文“Practically Significant Method Comparison Protocols for Machine Learning in Small Molecule Drug Discovery”,通讯作者为Valence Labs的Cas Wognum。文章提出了一套指南,旨在鼓励在小分子性质建模中采用严格且符合领域特点的方法比较技术。该指南配有开源的注释代码示例,为稳健的ML基准测试奠定基础,从而推动更具影响力的方法开发。
数据链接:
https://github.com/polaris-hub/polaris-method-comparison
可重复性危机
机器学习(ML)在药物发现中的研究面临科学界普遍存在的“可重复性危机”,即大量研究结果无法被他人,甚至作者自己复现。当前,研究常强调可再现性(reproducibility),即依赖相同代码和数据重现结果,但真正更重要的目标是可复现性(replicability),即在新的、相同条件下生成的数据上仍能得到一致结果。
可复现性可分为三个层面:技术、统计和概念。其中,本文特别强调统计可复现性,即在等效条件下多次重复实验仍能获得一致结论。这一点在小分子建模尤为关键,因为数据集规模小、昂贵、且常带有噪声和不平衡,结果容易因数据划分差异而波动。
然而,当前ML药物发现领域对统计可复现性的重视不足的原因有很多。一方面,缺乏用户友好的分析工具,另一方面,执行此类分析所需的统计知识也是障碍。除此之外,研究人员和研究机构本身也发挥作用,例如,可以通过制度激励来促进可复现性研究和稳健统计分析。为此,作者提供清晰指南、带注释的示例及开源工具实现,来弥补这一差距,从而简化最佳实践的应用。
方法比较指南
本节将回顾方法比较的最佳实践,并将其转化为一套专门针对小分子性质建模用于药物发现的指导原则。图1对指南进行了总结,并作为一份可视化的目录。首先将讨论不同的采样技术,用于构建性能分布;随后将介绍用于比较性能分布的多种统计检验方法;然后将阐述领域适配的性能指标在实现实际意义中的重要性;最后将讨论如何展示这些检验的结果。
图1 方法比较指南并以决策树形式进行总结
性能采样分布
从有限数量的随机样本中估计方法的性能分布(即性能采样分布)有多种机制。作者推荐以下数据重采样机制:
指南 1 (性能采样分布):建议使用5×5重复交叉验证采样性能分布。该方案适用于小分子性质建模中常见的数据集规模(约500-100000个分子),并能生成25个足够独立的样本,满足统计检验所需的样本量。如果需要,训练集可以进一步划分为训练集与验证集。同时,需要谨慎考虑数据划分方式,因为不同划分策略可能会系统性地高估或低估模型性能。
采样性能分布主要有两种机制,包括在模型参数中引入方差(例如在神经网络中使用不同的随机种子或初始化方式)以及对数据集进行重采样(例如使用不同的数据划分)。这些采样机制的目标是降低所收集样本之间的相关性,并准确估计性能的方差,主要提出关于数据划分的指导原则。
图2 不同交叉验证重采样技术的可视化示例
交叉验证(Cross-Validation, CV,图2)是一种常用的数据重采样方法。图2分别展示了10折交叉验证、5×2重复交叉验证以及嵌套交叉验证。虽然嵌套CV方法计算量过大,但其他CV方案可以与其进行对比。对于具有代表性规模的数据集,5×5重复交叉验证(即进行5次5折CV)能够提供合理的近似估计,比常用的Dietterich 5×2和McNemar方法得到的方差估计更稳定、更准确。因此,在本文指南中推荐使用5×5重复交叉验证以改进统计检验。
可以使用高级划分方法的交叉验证。数据集可以随机划分,也可以基于时间信息(例如化合物合成或测量的日期)进行划分,或者通过最小化训练集与测试集之间的结构重叠来划分。此外,划分方法可以基于化学骨架或相似性聚类。不恰当的划分方式可能导致系统性地低估或高估模型性能。
统计显著性
在为每种方法收集了性能采样分布之后,需要选择合适的技术来比较这些分布。一个理想的统计检验应同时满足两个条件,假阳性率与其宣称的水平一致以及具有较高的统计功效。
指南 2 (统计检验):建议采用重复测量方差分析,并结合事后Tukey HSD检验来进行模型间的两两比较。
图3 两种方法性能差异的配对t检验可视化
用于比较分布差异的统计检验大体可分为参数检验和非参数检验。与非参数检验相比,参数检验对被比较的分布作出更强的假设(如正态性)。两类检验最重要的共同假设是样本之间相互独立。由于本文的方法比较流程同时关注效应量估计和假设检验,因此更倾向于选择带有可解释效应量(如均值差异)的参数检验。
在机器学习基准研究中,通常需要比较多于两种方法,并且关注所有的成对比较。这会产生大量检验。当同时进行多次比较时,错误拒绝零假设(假阳性)的概率会升高。作者推荐使用 Tukey HSD检验。该方法专为成对比较设计,并内置了多重检验校正。
实际显著性
通过统计显著性,能够确认均值之间存在差异,但尚不能判断这种差异的大小。Tukey HSD方法不仅能告诉我们差异在统计上是否显著(即分布均值是否相同),还能够提供效应量(即两个分布均值差异的大小)。然而,这就引出了一个问题:某一效应量是否具有实际显著性?当方法之间的差异足够大到在实际应用中具有意义时,才能说它具有实际显著性。为了衡量实际显著性,需要使用与下游应用相关、具有情境化的性能指标。作者建议如下:
指南 3 (实际显著性):当报告方法间存在统计显著差异时,应同时解释这种差异在实践中为何重要。采用由下游应用驱动的指标,并通过估计性能上下限来对结果进行情境化。
图4 使用回归模型的事后分类来研究实际显著性的一个示例,评价指标包括精确率与召回率。
一个性质模型的典型应用是为两个关键决策提供信息:决定要哪些化合物(即设定一个最低可接受的精确率,然后在满足该条件的情况下选择召回率最大的阈值,称为recall@precision)以及决定不要哪些化合物(为正类设定一个最低可接受的召回率,在满足该约束的前提下,选择真负率最大的阈值,称为TNR@recall)。
表1 各模型之间平均性能差异的置信区间
图4展示了三种机器学习模型的比较,在对溶解度训练三种回归模型后,发现LightGBM与两个ChemProp模型在平均绝对误差、均方误差和决定系数上存在统计显著差异。为了判断这种差异是否足够大、在实践中有意义,研究者基于100μM 阈值进行了事后分类。结果显示,三种方法在精确率上几乎相同,但LightGBM的召回率显著更低。
图5 动态范围对相关性的影响
在实际的药物研发项目中使用机器学习模型的领域专家需要理解哪些差异具有实际影响。对于统计背景有限的研究人员而言,统计学指标往往难以解读。为了促进跨学科交流,报告平均绝对误差(MAE)往往是有帮助的。相关性和误差指标都会受到数据动态范围的影响。在实验值范围更宽的数据集上更容易得到较高的相关性,而在动态范围较小的数据集上,误差指标可能会出现不合理地小的数值,从而导致误导性的结论。在小分子药物研发中,分类数据集往往存在显著的类别不平衡。在这种情况下,常规的分类指标可能会产生误导。因此,使用能够考虑类别不平衡的指标是非常重要的。
图6 效应量的示意图
有时为差异提供有意义的背景解释并不容易,这时Cohen’s D可以作为一个有用的效应量度量。Cohens’D将均值差异除以合并标准差进行标准化。这样得到的是一个无量纲的分布差异度量,它同时考虑了两个分布的方差(图6)。
此外,模型预测的终点本身受到实验噪声影响,这意味着存在一个最大可期望的模型性能。为了解决这些问题,并提高性能指标的可解释性,将结果放在性能的下限和上限背景下进行解释非常重要。
单一的性能指标几乎不可能完全反映模型在真实世界中的效用。实践中,研究人员通常依赖多维度的整体视角来评估性能,从而指导机器学习模型在不同应用场景下的使用。
结果呈现
指南 4 (结果呈现):推荐使用图表来直观展示成对比较的结果,例如同时置信区间图或多重比较相似性图。对于回归模型,建议提供额外的散点图,展示模型预测值与真实标签的对比。对于分类模型,建议提供混淆矩阵。
图7 同时置信区间图
图8 多重比较相似性图示例
图9 方法之间平均性能差异的置信区间图示例
带注释的示例
全文中所提出的所有指南都配有一组带注释的示例,这些示例使用开源软件实现所提出的方法比较协议。可用于实现这些指南的开源软件见表2。
表2 实现指南的开源软件
总结
基于机器学习的研究正面临可重复性危机。在小分子性质建模中,这一问题由于其高风险的应用场景、数据集的异质性、不平衡性以及高噪声特性,以及涉及的跨学科团队,而被进一步放大。因此,采用统计学上稳健且符合领域特点的方法比较协议,对于缩小表面进展与实际影响之间的差距至关重要。在本研究中,作者提出了一套初学者友好的指南,用于小分子性质建模中的方法比较,还提供了带注释的示例,并基于开源软件实现了这些流程。在未来的工作中,作者计划探讨小分子性质建模中机器学习模型基准测试的其他重要方面,例如数据集整理和泛化能力的评估。
参考链接:
https://doi.org/10.1021/acs.jcim.5c01609
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